姚 劍

(山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司 太原 030000)

近年來,節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁技術(shù)在國內(nèi)工程領(lǐng)域中廣泛采用。超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)預(yù)制梁具有強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)、預(yù)制周期短等特點(diǎn),尤其適合預(yù)制拼裝工藝,UHPC節(jié)段間的連接常采用鍵齒接縫形式。節(jié)段接縫連接處是結(jié)構(gòu)受力的薄弱部位,其抗剪能力與破壞模式是工程各方的關(guān)注重點(diǎn)[1]。因此本文以某一級(jí)公路大橋引橋工程為依托,制作不同類型鍵齒試件開展荷載實(shí)驗(yàn),分析各鍵齒接縫的直剪性能與破壞狀態(tài)。

1 工程概況與試件制作

1.1 工程概況

該橋?yàn)橐患?jí)公路大橋引橋,上部結(jié)構(gòu)為單跨102 m UHPC簡支箱梁,寬37 m,下部結(jié)構(gòu)為雙柱接蓋梁式橋墩,基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。UHPC箱梁共分為25個(gè)節(jié)段預(yù)制,采用滿堂支架法拼裝施工。節(jié)段間采用環(huán)氧樹脂膠鍵齒接縫,通過張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力保證樹脂固化。考慮到靠近支座的截面所受剪力最大,以該處腹板鍵齒為原型制作1∶2縮尺模型。鍵齒布置形式見圖1。為降低附加負(fù)彎矩對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,采用Z字形直剪試件[2]。

圖1 橋梁端部截面鍵齒模型圖(單位:cm)

1.2 原材料及性能

1) UHPC。按照GB/T 31387-2015 《活性粉末混凝土》的規(guī)定,對(duì)UHPC的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果見表1。

表1 UHPC的力學(xué)性能 MPa

2) 環(huán)氧樹脂膠。節(jié)段接縫內(nèi)采用市場(chǎng)購買的環(huán)氧樹脂拼縫膠黏結(jié)。環(huán)氧樹脂性能參數(shù)見表2。

表2 環(huán)氧樹脂性能參數(shù)

1.3 試件制作

制作不同鍵齒形式、連接方式、鍵齒深度的UHPC接縫試件,主要步驟:①制作并安裝模板,其中接縫界面采用薄鋼板,其余位置為木模板;②鋼筋籠綁扎完成后,平穩(wěn)放入模板中;③將長度13 mm、直徑0.2 mm、摻量2.5%的鋼纖維,摻入R150 UHPC 干拌料中,從兩側(cè)澆筑鍵齒;④澆筑完成后進(jìn)行48 h灑水養(yǎng)護(hù),待試件具備足夠強(qiáng)度后,拆除模板,再進(jìn)行48 h蒸壓養(yǎng)護(hù);⑤采用拼裝環(huán)氧樹脂膠,按廠家說明書的比例混合后,涂滿接縫,對(duì)試件施加一定預(yù)應(yīng)力,保證接縫處環(huán)氧樹脂完全固化[3]。

1.4 實(shí)驗(yàn)加載方案

加載儀器選用2 000 kN電液伺服壓力機(jī),正式加載前應(yīng)通過預(yù)加載消除系統(tǒng)誤差。正式加載時(shí),先采用荷載控制加載法,按10 kN進(jìn)行逐級(jí)加載;在觀測(cè)到結(jié)構(gòu)開裂后,采用位移控制加載法,至試件完全破壞后停止加載。不考慮正應(yīng)力水平對(duì)接縫受力的影響,結(jié)合實(shí)際情況與實(shí)驗(yàn)條件,正應(yīng)力大小設(shè)置為3 MPa。每級(jí)加載完成后,應(yīng)維持荷載3～5 min,確保讀數(shù)穩(wěn)定后,記錄荷載大小、裂縫情況、接縫的相對(duì)位移。

2 鍵齒形式的影響

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

制作不同形式(無鍵齒、單鍵齒、雙鍵齒、三鍵齒、大鍵齒)的膠接縫試件(膠厚2 mm),開展荷載實(shí)驗(yàn)。無鍵齒膠接縫(即平膠縫)的荷載-相對(duì)滑移曲線見圖2。由圖2可見,無鍵齒膠接縫的荷載-滑移曲線分為2個(gè)階段:荷載小于331.4 kN時(shí),相對(duì)位移隨荷載增大而線形增加,隨著膠層剪切變形增大,接縫剛度發(fā)生變化;荷載大于331.4 kN時(shí),現(xiàn)場(chǎng)觀察到接縫出現(xiàn)全截面剪切破壞裂縫,并伴隨清脆響聲,接縫相對(duì)滑移驟然增加,荷載突降至83.7 kN。觀察接縫面破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn),UHPC界面與環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑已完全脫離,UHPC與膠層均未見破壞,因此判斷其破壞形式為黏結(jié)界面脆性破壞。

圖2 無鍵齒膠接縫的荷載-滑移曲線

單鍵齒荷載-相對(duì)滑移曲線見圖3。

圖3 單鍵齒膠接縫的荷載-滑移曲線

由圖3可見,曲線分為3個(gè)階段:荷載小于283.8 kN時(shí),鍵齒與膠層共同承受剪力,相對(duì)滑移隨荷載增大而線形增加;荷載大于283.8 kN時(shí),實(shí)驗(yàn)觀察到接縫界面出現(xiàn)裂縫并伴隨輕微響聲,UHPC與環(huán)氧樹脂膠開始發(fā)生剝離,黏結(jié)力隨即失效,荷載驟然降至242.3 kN,此后僅鍵齒受力,鍵齒根部發(fā)現(xiàn)若干斜裂縫;荷載繼續(xù)增加,鍵齒表面UHPC剝落損壞,兩側(cè)鍵齒沿接觸面相對(duì)滑動(dòng),在達(dá)到309.5 kN峰值荷載后,荷載迅速下降,同時(shí)接縫相對(duì)滑移迅速增加,直至接縫徹底破壞,其破壞形式為接縫滑移破壞。

受篇幅所限,此處不再對(duì)雙鍵齒、三鍵齒、大鍵齒試件的荷載現(xiàn)象進(jìn)行逐一闡述,不同鍵齒膠接縫的荷載-相對(duì)滑移曲線匯總情況見圖4。

圖4 不同鍵齒形式膠接縫的荷載-滑移曲線匯總

2.2 靜力荷載下受力特征與破壞形式

由圖4可見,不同鍵齒形式接縫的受力情況與破壞形式存在差異。其中單鍵齒、雙鍵齒、三鍵齒的荷載-滑移曲線規(guī)律相近,表現(xiàn)為先線性上升,至出現(xiàn)裂縫后,膠層與UHPC剝離,荷載下降,由鍵齒單獨(dú)承受剪力,兩側(cè)鍵齒在荷載作用下沿接觸面相對(duì)滑移,直至發(fā)生接觸面滑移破壞[4]。大鍵齒與無鍵齒的規(guī)律相近,曲線先線性上升,在達(dá)到峰值荷載后,發(fā)生脆性破壞(大鍵齒為鍵齒根部剪切破壞,無鍵齒為黏結(jié)截面脆性破壞),荷載驟然下降,相對(duì)滑移則突然增大。

單鍵齒、雙鍵齒、三鍵齒為接縫滑移破壞,加載前期UHPC鍵齒與接縫膠體共同承受荷載,荷載增大,接觸面開始出現(xiàn)若干裂縫;荷載增加至一定值后,裂縫發(fā)展為貫穿裂縫,此時(shí)UHPC鍵齒與膠體完全剝離,結(jié)構(gòu)近似于干接縫受力;荷載與滑移繼續(xù)增大,螺紋桿剛度不足以抵抗變形,鍵齒與膠層未見明顯破壞,兩側(cè)鍵齒發(fā)生較大滑動(dòng),導(dǎo)致接縫滑移破壞。大鍵齒表現(xiàn)為鍵齒剪切破壞,在加載前期UHPC與接縫膠體共同承受荷載,荷載增加,鍵齒根部出現(xiàn)明顯斜裂縫,荷載達(dá)到一定值后,裂縫瞬間貫穿剪切面,鍵齒發(fā)生剪切破壞。無鍵齒的破壞形式為全截面剪切破壞裂縫,為黏結(jié)截面的脆性破壞。

2.3 動(dòng)力作用下受力特征與破壞形式

考慮到鍵齒在較大荷載施加瞬間,近似短時(shí)沖擊作用,其荷載傳遞、應(yīng)力分布、破壞形式可能存在不同。以300 kN、3 m/s的加載速度模擬低速?zèng)_擊作用,分析膠接縫的受力情況。以雙鍵齒實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為例,上鍵齒上角最先出現(xiàn)壓碎,隨后下角表面出現(xiàn)剝落,上鍵齒在出現(xiàn)裂縫損傷后,向下鍵齒發(fā)展。觀察鍵齒破壞后形態(tài),上鍵齒損傷程度明顯高于下鍵齒,裂縫上寬下窄,由上鍵齒向下鍵齒貫穿,但未完全斷裂。上鍵齒響應(yīng)出現(xiàn)破壞時(shí),沖擊荷載并未完全傳遞至下鍵齒,上鍵齒破壞導(dǎo)致大量能量被吸收、衰減。其他多鍵齒接縫的情況相似。表明短時(shí)沖擊作用下,混凝土強(qiáng)度、膠體強(qiáng)度均未隨荷載發(fā)生變化,同時(shí)由于應(yīng)力迅速集中、增大,膠層黏結(jié)能力也未發(fā)生迅速下降,隨著上鍵齒破壞、下鍵齒逐步破壞,整個(gè)接縫剛度下降,局部破損嚴(yán)重。鍵齒本身構(gòu)造成為其抵抗破壞能力的來源,破壞形式為損傷集中效應(yīng)導(dǎo)致的局部剪切失效。

2.4 鍵齒形式選用建議

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,單鍵齒膠接縫的荷載承受能力與無鍵齒膠接縫相當(dāng),多鍵齒與大鍵齒膠接縫則顯著優(yōu)于單鍵齒,這表明接觸面積、鍵齒根部面積、材料強(qiáng)度的提高,能夠增強(qiáng)鍵齒膠接縫的抗剪切性能。因此建議鍵齒膠接縫宜選擇多鍵齒或大鍵齒形式,但應(yīng)避免鍵齒傾角與膠層厚度過大,原因在于UHPC結(jié)構(gòu)基體抗剪強(qiáng)度較大,膠層自身及膠體與UHPC的黏結(jié)截面易成為受力薄弱部位,鍵齒傾角或膠層厚度較大時(shí),接縫易出現(xiàn)滑移破壞[5]。同時(shí)在接縫制作與施工便利性方面,大鍵齒優(yōu)于多鍵齒,因此在實(shí)際設(shè)計(jì)與施工過程中,可考慮將多鍵齒轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)大鍵齒以簡化施工工藝。

3 接縫連接方式的影響

制作無鍵齒干接縫與無鍵齒膠接縫試件進(jìn)行荷載實(shí)驗(yàn),分析連接方式對(duì)UHPC接縫受力特性的影響,結(jié)果見圖5。

圖5 不同連接方式接縫的荷載-滑移曲線

由圖5可見,膠接縫與干接縫的極限荷載分別為331.4,43.2 kN,前者是后者的7.67倍;破壞時(shí)相對(duì)滑移分別為1.295,0.39 mm,前者是后者的3.32倍。從承載能力看,膠接縫顯著優(yōu)于干接縫,這是由于干接縫的承載能力主要依靠UHPC間的摩擦力,而膠接縫的承載能力來源于環(huán)氧樹脂膠與UHPC的黏結(jié)力,膠黏力顯著高于摩擦力。從抵抗滑移變形能力看,環(huán)氧樹脂膠的彈性模量較小,因此破環(huán)時(shí)的相對(duì)滑移量大。從破壞模式看,平膠接縫破壞模式為UHPC界面膠層黏結(jié)失效,為脆性破壞;而平干接縫為摩擦失效破壞,以彈性階段荷載峰值30.1 kN計(jì)算得摩擦系數(shù)為0.42,該值遠(yuǎn)小于AASHTO公式中的混凝土摩擦系數(shù)建議值0.6。表明干接縫兩側(cè)界面的摩阻力及抗剪切能力較為有限。綜上可知,膠層對(duì)UHPC接縫的承載能力、相對(duì)滑移、破壞形式存在較大影響。

4 鍵齒深度的影響

制作2,4 cm鍵齒深度的大鍵齒膠接縫進(jìn)行荷載實(shí)驗(yàn),分析鍵齒深度對(duì)接縫受力特性的影響,結(jié)果見圖6。

圖6 不同鍵齒深度膠接縫的荷載-滑移曲線

由圖6可見,鍵齒深度2,4 cm的開裂荷載分別為362.6,361.6 kN,前者較后者提高2.76%;極限荷載分別為553.8,541.1 kN,前者較后者提高3.23%;表明二者的承載能力差異較小。結(jié)合荷載-滑移曲線及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來看,二者的受力情況、裂縫發(fā)展階段均較為相似,破壞形式均為鍵齒剪切破壞。因此鍵齒深度對(duì)UHPC鍵齒膠接縫的影響較小。

5 結(jié)語

制作不同鍵齒形式、鍵齒深度、連接方式的UHPC接縫試件,開展荷載實(shí)驗(yàn),分析不同因素對(duì)UHPC鍵齒接縫受力特性及破壞形式的影響,結(jié)論如下。

1) 鍵齒形式對(duì)接縫受力情況有較大影響,鍵齒數(shù)量增加,鍵齒根部面積、接觸界面面積增加,接縫荷載承受能力提高。

2) 接縫的破壞形式主要分為滑移破壞與剪切破壞,靜力作用下,單鍵齒、雙鍵齒、三鍵齒為接縫滑移破壞,大鍵齒為鍵齒剪切破壞,無鍵齒為黏結(jié)界面脆性破壞;瞬時(shí)沖擊作用下,以局部剪切失效破壞為主。

3) 單鍵齒膠接縫承載能力與無鍵齒膠接縫相當(dāng),多鍵齒與大鍵齒優(yōu)于單鍵齒,大鍵齒的施工便利性優(yōu)于多鍵齒。

4) 環(huán)氧樹脂膠層能夠提升接縫抗剪能力,膠接縫的極限荷載與破壞相對(duì)滑移分別是平接縫的7.67倍、3.32倍。

5) 鍵齒深度對(duì)UHPC鍵齒膠接縫的影響較小。